Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.1. Принципы эксергетического анализа
Традиционный подход к оценке эффективности технических процессов, связанных с превращением одних форм энергии в другие, не позволяет в полной мере производить оценку возникающих потерь и установление причин и источников их возникновения. Использование классического энергетического баланса конкретной системы не дает возможности разделения всех потерь, возникающих в системе на обратимые и необратимые. Применительно к охране природной среды, необходимо отметить практическое отсутствие теоретической базы для рационального распределения и потребления природных ресурсов, позволяющей моделировать взаимодействие объектов промышленности с окружающей средой и производить объективный анализ данного взаимодействия [4, 5].
Необходимо также отметить, что общим недостатком действующих способов оценки, основанных на применении показателей предельно допустимых уровней воздействия деятельности человека на окружающую среду, является отсутствие общности в оценке воздействия на все составляющие окружающей среды одновременно (атмосферу, литосферу, гидросферу). А также тот факт, что существующие методики, основанные на понятиях предельно допустимых уровней воздействия, направлены на защиту от этого воздействия только человека, а не всей природной среды в целом.
К тому же, принятая в области промышленной деятельности человека практика оценки негативного воздействия предприятий на экологию основывается на количестве (объеме и массе) вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу и гидросферу. Данная практика лишена возможности учета разнородной природы и потенциала потоков, выделяемых в природную среду.
Показателем, характеризующим суммарное воздействие каких-либо объектов антропогенной деятельности на окружающую среду, является эксергия выбрасываемых в нее потоков энергии и вещества. Она позволяет совмещать основы первого и второго начал термодинамики в одном параметре, показывая неодинаковую способность различных форм энергии преобразовываться из одной формы в другую, в том числе в работу.
В связи с этим, применительно к области экологии тепловой энергетики наиболее рациональным представляется производить анализ методов снижения вредных выбросов от котельных агрегатов на основе теории эксергии, с учетом разделения сопутствующих потерь на безвозвратные и «полезные», использование которых возможно в качестве вторичных энергоресурсов. При этом станет возможным осуществлять объективную оценку различных методов снижения вредных выбросов, как от энергетических источников вредных выбросов, так и от источников, создающих экологическую нагрузку в прочих отраслях промышленного производства и техники.
К тому же эксергетический метод термодинамического анализа технологических процессов – это единственный метод, позволяющий учесть разнородные потоки эксергии, оценить их работоспособность при переходе к параметрам окружающей среды [6, 7, 8].
Во всех технологических процессах, протекающих в производственной среде, постоянно происходит превращение одних видов энергии в другие. Подобно превращению энергии, подчиняющемуся закону ее сохранения, происходит преобразование эксергии в этих же процессах.
Следовательно, технологический процесс, связанный с преобразованием энергии тем совершеннее, чем меньше происходит при его протекании потерь эксергии. Этим и определяется понятие эксергетического баланса (или КПД) процесса или системы.
В общем случае удельной эксергией называют удельную работоспособность теплоты, или потока рабочего тела, в обратимом термодинамическом процессе изменения состояния системы от начальных параметров до состояния равновесия с окружающей средой [65-69]. Данный обратимый переход для потока рабочего тела возможен двумя обратимыми процессами: адиабатным (с изменением температуры рабочего тела от начальной Т1 до температуры окружающей среды Т0) и изотермическим (с изменением давления, соответствующего концу адиабатного процесса, до давления Р0) [14, 15]:
e = (i1 – i0) – T0(S1 – S0). (4.1)
Современные масштабы промышленного производства, постоянно вовлекающие все большее количество материальных и энергетических ресурсов, подвигают ученых к разработке технологий, основанных на максимальном использовании вторичных продуктов. Вторичные продукты, образующиеся в результате какого-либо промышленного производства разнообразны по своим физическим параметрам (давление, температура, химический состав). Используя понятие эксергии потока, становится возможным соотносить эти потоки по степени полезности. В данном случае величина эксергии потока становится эталоном, подобно как эталоном для сравнения различных топлив является теплота сгорания условного топлива.
В процессах, происходящих во время работы котельного оборудования помимо физических процессов производства тепловой энергии (пара) имеют место также химические процессы, такие как горение топлива. Поэтому данные процессы необходимо рассматривать в совокупности, поскольку определение эксергии в процессах, связанных с изменением химической структуры веществ, носит более сложный характер, чем в физических процессах. В связи с этим возникает необходимость использования понятия «химической эксергии», которое позволит определить ценность дымовых газов и золошлаковых продуктов, образующихся в результате сгорания, и учесть это при оценке эксергетического КПД в качестве полезных потоков эксергии [6, 7, 8].
Применительно к выбросу вредных веществ, становится очевидным тот факт, что производственная установка тем экологичнее, чем меньшую величину эксергии имеет поток выбросов, т.е. тем меньше «нагрузка» на природу в форме теплового и химического загрязнения.
Разрабатывая способы снижения вредных выбросов, необходимо стремиться к тому, чтобы выброс потоков энергии и вещества содержал в себе эксергию, близкую к нулю.
К тому же острой является необходимость внедрения в стандартную методику эксергетического анализа эффективности производства тепловой энергии (пара) котельными агрегатами критерия (либо отдельного методологического «блока»), позволяющего наряду с определением потерь эксергии и их разделением на «полезные» (вторичные ресурсы) и безвозвратные определять надежностную составляющую, т.е. определять через величину (абсолютную или относительную, удельную) изменения эксергии потоков влияние конкретного (применяемого) способа снижения вредных выбросов на надежность и режимы работы котельного агрегата.
Если в конце процесса получается несколько продуктов, то их себестоимость пропорциональна уносимой ими эксергии [16]. При этом поток вещества, выходящего из рассматриваемой системы является тем более «полезным» в плане возможности использования в качестве вторичного ресурса, чем большей величиной эксергии он обладает. В данном случае оценка степени совершенства какого-либо производства принимает более объективный характер, т.к. позволяет учитывать реальные издержки производства с определением участков и причин их возникновения в рассматриваемой системе.
Это также дает стимул для развития малозатратных и эффективных способов снижения вредных выбросов.